كيف يمكن أن يساعد فهم ساعات جسم النبات في تغيير طريقة زراعة الطعام

هل سبق لك أن عانيت من حالة سيئة من اضطراب الرحلات الجوية الطويلة؟ هذا الشعور الرهيب عندما تنزل من رحلة طيران طويلة ويخبرك جسدك أن الوقت قد حان للنوم ، لكن العالم الخارجي يخبرك أن الوقت قد حان لتناول الإفطار؟ هذه هي التأثيرات البيولوجية لساعة جسمك الداخلية ، والمعروفة أيضًا باسم ساعتك البيولوجية.

يمكنك الاستماع إلى المزيد من المقالات من The Conversation ، برواية Noa ، هنا.

النباتات والفطريات وحتى بعض البكتيريا لها إيقاع يومي أيضًا. على الرغم من أن النباتات لا تميل إلى القفز في الرحلات الجوية الدولية ، فإن أي كائن حي به ساعة يومية لديه القدرة على التأخر في الطيران. هذه أكثر من مجرد حقيقة ممتعة: يمكننا استخدام هذه المعلومات لجعل المحاصيل أكثر إنتاجية ومعالجة الأمن الغذائي.

تعود التقارير الأولى لساعة الجسم الداخلية في النباتات إلى اليونان القديمة ، عندما درس قبطان السفينة الفتح والإغلاق اليومي للأوراق على شجرة تمر هندي. تم إجراء أول ملاحظات منهجية لإيقاعات الساعة البيولوجية للنبات في القرن الثامن عشر الميلادي من قبل العالم الفرنسي جان جاك دورتوس دي ميران الذي درس الفتح والإغلاق الإيقاعي لأوراق النبات. ميموزا بوديكا (نبات في عائلة البازلاء).

لاحظ De Mairan أن هذه الدورات استمرت حتى عندما كان النبات في ظلام دامس. أظهر هذا أن حركات الأوراق لم تكن استجابة للتغيرات في ظروف الإضاءة ، ولكن تم التحكم فيها من قبل النبات نفسه. هذا هو تعريف الإيقاع اليومي.

كيف تخبر النباتات الوقت

نحن نعلم الآن أن هذه الإيقاعات تتحكم فيها شبكة وراثية موجودة داخل كل خلية نباتية. يتحكم حوالي 20 جينًا في إيقاع الساعة البيولوجية في النباتات. تعمل هذه الجينات على تشغيل وإيقاف تشغيل بعضها البعض في دائرة معقدة ، مما يولد إيقاعًا لمدة 24 ساعة.

تعمل دائرة التحكم هذه أيضًا على تنشيط جينات أخرى في جينوم النبات. يتم تنشيط بعض الجينات عند الفجر ، تليها الجينات المطلوبة في وقت لاحق من الصباح ، ولكن يتم إيقافها في فترة ما بعد الظهر. على سبيل المثال ، عادةً ما يتم تنشيط الجينات المرتبطة بعملية التمثيل الضوئي في الصباح لتحقيق أقصى استفادة من ضوء النهار ، بينما تنشط الجينات المرتبطة بالنمو والتطور عادةً في الليل.

توضح التجارب المعملية أنه إذا تم تحور أي من جينات التحكم في الساعة البيولوجية (مما يعني تغيير تسلسلها الجيني بحيث لا تعمل بشكل صحيح) ، فقد تتسارع ساعة النبات لإعطاء إيقاع أقصر ، وإبطاء لإعطاء دورة طويلة ، أو توقف عن العمل تمامًا.

يعتقد الكثير من الناس أن النباتات نباتات جميلة المظهر. ضروري للهواء النظيف ، نعم ، لكن الكائنات الحية بسيطة. أدى التغيير التدريجي في البحث إلى تغيير الطريقة التي يفكر بها العلماء بشأن النباتات: فهي أكثر تعقيدًا بكثير وتشبهنا أكثر مما تتخيل. إن هذا المجال العلمي المزدهر ممتع للغاية بحيث لا ينصفه في قصة واحدة أو قصتين.
هذه المقالة جزء من سلسلة “فضول النبات” ، تستكشف الدراسات العلمية التي تتحدى الطريقة التي تنظر بها إلى الحياة النباتية.

لا تمتلك النباتات ذات الجينات اليومية الطافرة ساعات أسرع أو أبطأ فحسب ، ولكن قدرتها على التمثيل الضوئي والنمو والتكاثر تتضرر. لن ينمو النبات ذو الساعة اليومية العادية إلا إلى نصف حجم النبات الطبيعي في ظل ظروف المختبر.

يتم تنظيم كل عملية نظر إليها العلماء في النباتات تقريبًا بواسطة الساعة الداخلية إلى حد ما. إنه يتحكم في فتح وإغلاق مسام الثغور على الجانب السفلي من الورقة ، وتبادل الغازات في عملية التمثيل الضوئي ، ونمو الجذع والنبتة ، والإزهار الموسمي و “الحرب الكيميائية” بين النباتات والحيوانات التي تأكلها. يحدث هذا عندما تنتج بعض النباتات مواد كيميائية سامة للحيوانات عند تناولها.

في حين أن معظم الأبحاث حول إيقاعات الساعة البيولوجية للنبات قد تم إجراؤها في المختبر ، إلا أن هناك اهتمامًا متزايدًا بكيفية تطبيق ذلك على الزراعة لمواجهة تحديات الأمن الغذائي العالمي.

يصلح للمستقبل

يضعف الاحترار العالمي من صحة التربة ويقتل الملقحات ، في حين أن الطقس المتطرف والحرب من بين العوامل التي تدفع أسعار الغذاء إلى الارتفاع. لذلك يمكن أن يصبح هذا البحث ضروريًا لبقائنا على قيد الحياة.

يمكن أن يؤدي تعلم المزيد عن الساعات اليومية للنباتات إلى زيادة غلة المحاصيل بشكل كبير والتحكم في توقيت ازدهار النبات للتكيف مع تغير المناخ. على سبيل المثال ، وجدت العديد من الدراسات أن النباتات أكثر حساسية لمبيدات الأعشاب تبعًا للوقت من اليوم الذي تستخدم فيه. نظرًا لأن العديد من النباتات لها ساعات متشابهة ، يمكننا تطبيق نتائج المختبر على أنواع المحاصيل.

أظهرت العديد من الدراسات أن التغيرات الطبيعية في جينات الساعة قد ارتبطت بالاختراقات الزراعية. على سبيل المثال ، كانت الطماطم تُزرع في الأصل في أمريكا الوسطى حيث لا تتغير أطوال اليوم كثيرًا خلال العام. عندما بدأ الناس في زراعة الطماطم المستأنسة في خطوط العرض الشمالية ، اختاروا عن غير قصد مجموعة متنوعة ذات طفرة طبيعية أدت إلى تباطؤ الساعة. وهذا يعني أن نباتات الطماطم كانت قادرة على الاستفادة بشكل أفضل من أيام الصيف الأطول والتمثيل الضوئي لفترة أطول.

أيضًا ، الربيع (الربيع) والشتاء (الخريف المزروع) زهرة الشعير في أوقات مختلفة من العام بسبب اختلاف وراثي في ​​الجين المرتبط بالساعة البيولوجية. لذلك يزرع المزارعون أصنافًا وراثية مختلفة من نفس المحصول في مواسم معينة لزيادة الإنتاجية.

مع تطور الزراعة العمودية الداخلية ، هناك اهتمام كبير بفهم استجابات النبات اليومية للضوء بحيث يمكن تصميم أنظمة الإضاءة لتحقيق أقصى قدر من النمو مع تقليل استهلاك الطاقة. وذلك لأن الزراعة العمودية الداخلية تسمح بالتحكم الكامل في الإضاءة ، على عكس عندما نزرع النباتات في الهواء الطلق أو في منازلنا. قد يساعد فهم الإيقاع الداخلي للنبات في تحسين نمو النبات ، والتحكم في أفضل وقت للري ، والإشارة إلى وقت استخدام الأسمدة أو المواد الكيميائية الأخرى المستخدمة في الزراعة.

النباتات أكثر تعقيدًا بكثير (وربما تشبهنا قليلاً) مما يدركه الكثير من الناس. شهدت السنوات الخمس والعشرون الماضية قدرًا هائلاً من الأبحاث في آليات التحكم الجيني للساعة البيولوجية. التحدي الآن هو تطبيق تلك المعرفة على الزراعة.

من مصلحتنا التأكد من فهمنا للنباتات بهذه الطريقة ، لأنه يمكننا استخدام هذه المعرفة لتحسين زراعة طعامنا وجعل محاصيلنا أكثر مرونة.